A Study of the Retention Mechanism of the Monosubstituted Benzenes in Reversed-Phase Liquid Chromatography (Ⅰ). The Elution Behavior of the Monosubstituted Benzenes

DA田AN HWAHAKHWOEJEE

(■Journal of the Korean Chemical Society) Vol. 31* No. 1, 1987

Printed in the Republic of Korea

역상 액체크로마토그래피에서 벤젠 일치환체들의 머무름 메카니 즘에 관한 연구

벤젠 일치환체들의 용리거동

李大云t •崔鎔旭•金賢珠•郵龍淳*

연세대학교 이과대학 화학과

*충북대학교 자연과학대학 화학과 (1986.8.13 접수)

A Study of the Retention Mechanism of the Monosubstituted Benzenes in Reversed-Phase Liquid Chromatography (I)#

The Elution Behavior of the Monosubstituted Benzenes

Dai Woon Lee\ Yong Wook Choi, Hyun Joo Kim, and Yong Soon Chung*

Department of Chemistry^ Yonsei University, Seoul 120, Korea

^Department of Chemistry, Chungbuk National University, Cheongju 310, Korea (Received August 13, 1986)

요 약. 본 연구는 결합 정지상 컬럼을 이용한 역상 액체 크로마토그래피에서 치환기에 따른 시 료의 용리거동을 알아 보기 위한 일련의 연구로서 비교적 극성인 치환체에서 비극성인 치환체까지 18종의 벤젠 일치 환체를 대 상으로 //-Bondapak Cis 컬 럼 및 /z-Bondapak phenyl 컬럼 상에 서 메 탄올f 물, 아세토니트릴-물, 및 THF-물의 혼합용액을 이동상으로 하여 시료의 용리거동을 알아 보았다.

극성인 치환기를 갖는 치환체들의 용량인자(矿)는 벤젠에 £ 값보다 적었으며, 반대로 비극성인 치환 체들의 孕 값은 벤젠보다 켰다. 이동상중의 유기용매의 농도가 감소함에 따라 모든 벤젠 일치환체들 의 용량 인자값은 증가하였다. 혼합물의 분리의 가능성을 예측하고 치환체들의 용리거동을 설명하 기 위하여 컬럼의 종류 및 이동상의 종류에 따라 달라지는 각 치환체들의 머무름의 변화를 벤젠을 기준으로 하여 용량인자의 절대치의 차(4矿)로 도식화하였다. 두 컬럼과 세가지 용매시스템에서 치 환체들의 용량인자를 상호 비교하므로써 선택성이 큰 용매시스템을 조사하였다.

ABSTRACT. The systematic investigation of the retention behaviors of 18 monosubstituted be­

nzenes in reversed-phase liquid chromatography (RPLC) was studied in order to predict the separation possibility of their mixtures and study the contribution of substituent group to the retentions of solutes. The columns and mobile phases employed in this study were /z-Bondapak Cig, //-Bondapak phenyl columns and methanol/water, acotonitrile/water, and THF/water, respectively. The polar substituents such as phenol, aniline, acetophenone and benzonitrile have smaller capacity factor。矿) values than benzene, while nonpolar ones such as alkylbenzenes and halobenzenes show larger kr value. The capacity factors of all solutes increased on both Ci8 bonded and phenyl bonded phases as the organic solvent content of three organic 앙。Ivent-water mixtures decreased. The absolute differences in capacity factor (J^) between substituent and benzene were graphically shown for the prediction of the separation of the mixture and interpretation of the elution behavior of substituent.

In addition, the selectivity of solvent system for the separation of the mixture was investigated in both two columns and three mobile phases.

1. 서 론

크로마토그래 피법 으로 유기 화합물을 분리 하고 분석하는데 가장 많이 사용되는 방법은 결합 정 지상 컬럼을 이용하는 역상 액체크로마토그래피 이다. 그 이유는 결합 정지상은 고압에서도 상 당히 안정하여 기울기 용리가 가능하며 광범위 한 용량인자 Q') 를 갖는 성분들이 혼합된 시료를 분석하는데 적합하기 때문이다. 또한 극성은 물 론 비극성의 시료들까지도 분리하는데 유용하 다. 가장 많이 쓰이는 컬럼은 octadecylsilane의 작용기 를 갖는 C18 컬럼 이며, 이동상인 용매로는 물-메탄올 및 물-아세토니트릴을 가장 많이 사 용하고 있다. 이같은 장점을 갖는 결합 정지상 을 이용한 역상 액체 크로마토그래피가 광범위 한 시료에 대해서 활용되기 위하여는 각종 시료 들의 머 무름 메카니즘, 용리거 동 및 분리조건에 따른 선택성에 대한 연구가 수행되어야 한다.

지금까지 연구된 몇가지 연구결과를 보면 다음 과 같다. KarcH들은 시료와 비극성 정지상 간 의 분산력 (dispersion force) 을 가장 큰 상호작용 이라고 생각하여 정지상의 알킬 사슬의 길이가 증가할수록 시료의 머무름이 증가한다고 하였 고, Locld도 역 시 van der Waals 형의 비 고유성 분산력 (non-specific dispersione force) 이 크게 작 용한다고 하여 시 료의 머 무름을 이 동상에 대 한 용해도로써 설명하였다. KargeN 들도 물에 대한 용해도를 강조하이 시료의 탄소 골격만을 고려 한 분자간 연결지수(molecular connectivity)로부 터 머무름을 예측하였다. 또한 Jinn°4들은 C2, C5 및 C18 이 결합된 정 지 상에서 알킬 벤젠의 logF 과 여 러 가지 물리적 파라미 터 와의 상관관 계를 조사해본 결과 C2, C$에서는 분자간 연결 지수가, C18에서는 van der Waals부피와의 상 관관계가 가장 좋다고 밝혔다. 한편 Horvaths들 은 주로 시 료와 이 동상간의 효과를 solvophobic 이론에 적용하여 시료의 머무름과 선택성을 결 정하기 위한 이동상의 역할에 대하여 고려하였 는데, 시료의 머무름은 이동상의 표면 장력과 유전상수에 의해 크게 영 향을 받는다고 하였다.

Bakalyar^들은 벤젠과 나프탈렌에 비 교적 극성

인 치환기를 치환시켰을 때 이동상의 유기 용매 의 종류에 따른 선택성을 알아본 결과 치환기에 따라 전부 다른 선택성을 나타내고 있음을 보여 주었는데 이와같이 치환기의 특성에 따라 시료 들이 서로 다른 특성을 나타내는 것은 시료의 용리 거 동이 치 환기 에 따라 크게 영 향을 받으며 시료를 분리하기 위한 이동상을 선택하는데 중 요한 정보를 준다는 것을 알 수 있다. 그중에서 도 니트로기가 치환된 경우에 동일한 컬럼 상에 서 이동상의 종류를 변화시킴으로써 용리 순서 가 완전히 역전될 수 있음을 Tanaka? 들은 보여 주었다.

다른 한편으로는 동일한 역상 액체 크로마토 그래피에서 정지상의 구조적 특성에 따라 시료 의 선택성에 변화를 줄 수도 있다. 일반적으로 phenyl 기가 결합된 정지상은 알킬 사슬이 결합 된 정지상과 기하학적 구조가 다를 뿐만 아니라 쉽 게 편극화될 수 있고 상호작용8도 할 수 있으므로 동일한 시료들에 대해서 다른 선택성 을 보일 수도 있다. 또한 방향족 화합물이 정지 상으로 사용될 경우 머무름과 시 료의 선택성은 알킬 사슬의 정지상보다도 이동상의 변화에 더 민감하다고 Tanaka，들이 밝힌 바 있다.

본 연구는 시료의 머무름 메카니즘 및 용리거 동을 한 종류의 시료에 대해서 체계적으로 알아 보고자 하는 일련의 연구로서 비교적 다양한 종 류의 치환기를 갖는 벤젠 일치환체들을 시료로 선택하여 역상 액체 크로마토 그래피에서 이들 이 용리 될 때 치 환기 만의 특성 이 용리 데 이타에 영 향을 줄 것 으로 생 각하고 용리 순서 를 치 환기 별로 설명할 수 있는지를 알아 보고자 하였다.

또한 정지상의 종류 및 이동상의 조성에 따라서 용리현상이 변하는 정도를 알아보기 위해서 정 지상으로는 “-Bondapak (爲8컬럼과 女-Bondapak phenyl 컬럼을 선택하였고, 이동상의 유기용매 로는 메 탄올, 아세토니트릴 및 THF 를- 사용하 였다. 이러한 머무름 현상을 알아봄으로써 실험 조건이 변할때 시료의 용리현상이 동일한 머무 름 메카니즘에 의히-여 설명될 수 있는지를 파악 하고, 서로 다른 치환기를 가진 시료를 효과적 으로 분리하는데 기초 자료를 얻고자 본 연구를 Journal of the Korean Chemical Society

역상 액체크로마토그래피에서 벤젠 일치환체들의 머무름 메카니즘에 관한 연구(I) 시도하였다.

2.실 험

2.1. 시약 및 기기. 실험에 사용한 벤젠 및 18종의 벤젠 일치환체들은 일급 및 특급 시 약을 단순 정제 및 재결정을 하여 사용하였으며, 시 료를 주입하기 전에 시료여 과 기구 (sample clari­

fication kit) 를 사용하여 0.5«m 이상의 입자들 을 제거한 후 10“L씩 주입하였다.

이동상으로사용한 용매는 HPLC 용 메탄올 (Merck), 아세 토니 트릴 (Burdick & Jackson) 및 THF (Burdick & Jackson) 를 각각 HPLC 용 증 류수(Wako) 에 부피 %로 혼합하여 사용하였다.

각 혼합용액은 완전한 평형을 위해서 1시간 정 도 방치 한 후。. 50m Millipore organic filter 로 거르되 초음파 진동기로 약 20분간 진동시켜 용 존되어 있는 기포를 완전히 제거하여 사용하였 다.

정지상으로서는 /z-Bondapak 과 “-Bon- dapak phenyl 컬 럼 (3.9mm X 30cm) 으로 충진제 의 평균 입 자의 크기 는 10/zm 로 층진된 것을 사 용하였다.

실험 에 사용된 기 기 는 Waters Associates Liquid Chromatograph로서 검 출기 는 M-440 Absorbance Detector, 펌 프는 M-45 Solvent Delivery System 및 시 료 주입 장치 는 M-U6K Universal Injector 가 부착된 기기를 사용하였다. 이때, 시료의 검 출 파장은 254nm, 감도는 0.05 AUFS 에 서 고 정하여 실험하였다.

2.2. 실험법, 용량인자Q') 는 시 료의 머 무름을 나타내는 값으로 龙'(奴一而)/而 에 의해 측정하였 다. 处 는메 탄을에 의 한 바탕선의 변화로결정하 였고, 상대적 머무름 비인 a는 벤젠에 대한 벤 젠 일치환체들의 용량인자와의 비로써 a=ks'/kB' 로 계산하였다. 여기서 如'은 벤젠 일치환체들 의 용량인자이며, 如'는 벤젠의 용량인자이다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 이동상의 종류에 따른 용매강도 변호卜.

C18 컬럼 을 이 용하는 역 상 크로마토그래피 에서 이 동상이 물-유기용매인 경 우 유기용매 의 종류와

57 용매강도의 변화에 따른 시료의 머무름을 알아 보기 위 하여 메 탄올-물 및 아세토니트릴-물의 혼합용액 을 택 하여 부피 % 를 변화시키 면서 시 혐 시료로서 선택 한 벤젠과 톨루엔의 log F 값을 측정 한 결 과는 Fig.l 와 같다. 유기용매 의 부피 퍼센트를 85%에서 10%까지 감소시킴에 따라 용매강도는 약해지는데, 메탄올의 경우에는 이 러한 농도변화범위 에서 log& 이 직선적으로증 가하는 현상을 보여주었다. 이러한 용매강도 변 화범위에서 용량인자Q')의 변화범위는 0.42에서 48.3이었다. 한편, 아세토니트릴의 경우에는 톨 루엔에 대한 용량인자에 변화범위가 0.26에서 4L5까지 이었다. 두 이동상을 비교할때 동일한 농도에서 메탄올 보다 아세토니트릴의 용매강도 가 더 크다는 것을 알 수 있다. 또한 아세토니 트릴의 농도가 30% 정도까지는 메탄올의 경우 와 마찬가지로 용매강도가 감소함에 따라 벤젠 과 톨루엔의 log 이 직선적 으로 증가하는 현상 을 보였으나 약 20% 이하에서 는 log&'이 급격 히 증가함으로써 메 탄올의 log 担 과 거 의 유사하 게 되었고 이후 다소 완만한 증가를 보여 주었 다. 이러한 현상은 주로 용매 시스템의 구조 변 화에 기인하는 현상과 용매화되는 정지상의 구 조 변화에 따른 머 무름 메카니즘의 변화에 기인 된 현상이 라고 생 각된다. 이 동상중 유기 용매 의 농도가 클 경우에는 Karger15들이 ODS 를 정지 상으로 사용하여 실험한 결과와 본 연구의 결과 가 유사하였다. 물에 낮은 농도의 유기용매가 포함될때 이동상의 구조에는 유기용매의 영향이 별로 없지만 유기용매의 농도가 증가함에 따라 어떤 부피비에서는 친수성분자를 둘러싼 이동상 의 구조적 양상이 달라지게 된다. 이러한 현상 이 일어나는 부피비의 영역은 유기용매의 종류 에 따라 달라진다. 물-메탄올의 경우 메탄올은 양성자 주게와 받게로 작용할 수 있기 때문에 물이 적은 영역에까지도 전체적인 이동상의 구 조적 양상이 크게 변하지 않지만 물-아세토니트 릴의 경우에는 아세토니트릴이 양성자 받게의 능력밖에 없기 때문에 메탄올보다 쉽게 구조적 양상에 변화를 초래하게 된다. 그런데 본 연구 에서는 유기용매의 농도가 약 85%까지는 메탄

•Fig. 1. Log£ vs. volume percent organic component for benzene and toluene in methanol-water (open) and acetonitrile-water(closed) mobile phases.

올과아세토니트릴 시스템에서 모두 직선성을 나타내 었지만 20% 이하의 농도에서 아세토니 트 릴 시스템은 비직선성을 나타내었다. 이것은 유 기용매에 대한 특성이외에 또 다른 작용에 의한 것이 아닌가 생각된다. 유기용매의 농도가 낮은 경우에는 이동상이 정지상을 충분히 용매화하지 못하기 때문에 이러한 조건하에서 머무름 메카 니즘은 다소 복잡하다고 생각한다. Nikolov"는 결합 정지상에서의 머무름 메카니즘은 정지상과 실란올 집단의 영향으로 인한 혼합 메카니즘에 의해서 결정된다고 하였는데, 이와같은 사실을 본 실험결과와 비교하여 보면 이동상이 정지상 을 충분히 용매화하지 못할 때 미반응된 실란올 집단이 시료의 용리에 더 큰 영향을 미친 것으 로 생각된다. 또한 Sc况田들은 이동상이 정지상 을 용매화시킬 수있는 한계에 대한실험을 하 였는데 메 탄올-물의 이 동상에 서 는 68 % 메 탄올 의 농도비, 아세토니 트릴-물에서는46% 아세토 니 트릴의 농도비까지 ODS 컬럼 (carbon content, 16.9%w/w)을 완전히 용매화시킬 수 있다고 하 였다. 이와같이 이동상 중의 유기용매의 농도가 극히 큰 경우와 작은 경우에는 직선성에서 벗어 나는 현상을 보였다. 따라서 본 연구에서는 치 환기만의 영 향을 보•기 위해서 유기용매의 농도 에 따라 비교적 직선성을 나타내는 영역인 30%

〜70%의 유기용매 농도 범 위 에서 모든 실험 을 하였다.

3.2. 이동상의 용매 강도에 따른 시료의 머무

름의 변하•. 역상 액체 크로마토그래피에서 시 료의 머무름 메카니즘은 매우 복잡한데 주듼 메 카니즘은 시료와 이동상 및 시료와 정지상과의 상호작용 각각 혹은 혼합작용에 의존하게 된다.

일반적으로 이동상의 용매강도가 증가되면 시료 의 머무름은 감소하게 되는데, 용매강도는 보통 이동상의 극성과 관련되며, 역상 액체 크로마토 그래피에서는 이동상의 극성이 증가할수록 용매 강도는 감소한다. 그러나 이동상의 극성이 모든 시료의 머무름 변화의 척도가 되지는 않는다.

본 실험에서 사용된 시료들은 벤젠고리를 공통 적으로 소유하고 있기 때문에 각 치환기의 특성 에 따라 시료의 용리순서가 결정된다.

3.2.1. G8 결합 정지상에서의 시료의 머무름.

C

50% 메 탄올 시 스템을 기 준으로 벤젠 일치 환체 들이 용리되는 현상을 용량인자의 증가순으로

Table 1 에 나타내었다. 이러한 용리순서를 살 펴 보면 산, 염기 및 수소결합을 할 수 있는 치 환체들과 N, O 들의 원소와 같이 비교적 전기 음성도가 커서 벤젠고리의 전자밀도에 크게 영 향을 미치는 치환체들은 벤젠보다 용리가 빠른 경 향을 보였다. 벤조산은 메탄올 보다도 먼저 용리되어 음(一)의 용량인자 값으로 나타내었다, 케톤, 니트로 치환기 들은 벤젠고리의 분자 쌍극 자 능률을 증가시켜 극성인 이동상으로 용이하 게 분배되고 상호작용이 더 증대되어 용리는 빨 라진다. 할로겐 치환체들의 경우에는 치환기들 의 전기 음성도가 커서 분자 전체의 쌍극자 능 률을 증가시키기 때문에 극성인 이동상으로 분 배가 용이하여 벤젠보다 더 빨리 용리될 것으로 예상하였지만, 一F를 제외하고 다른 할로 벤젠 들은 모든 유기용매 농도에서 벤젠보다 늦게 용

Journal of the Korean Chemical Society

역상 액체크로마토그래피에서 벤젠 일치환체들의 머무름 메카니즘에 관한 연구(I) 59 Table 1. Capacity factors (*) of monosubstituted benzenes on p-Bondapak Cis column

Substituted groups

% CH3OH

%

3

70 50 30 70 50 30

coo- -0.12 -0.32 -0.14 -0.13 -0.24 -0. 53

nh

2

OH 0.26 0.83 2.28 0.20 0.56 1.48

CHO 0.42 1. 55 4.53 0. 42 1. 21 2. 65

CN 0.40 1.55 5.47 0. 60 1.42 3. 35

COCH3 0.46 1.77 6.62 0. 37 1. 00 2.99

no

2

Benzene 0- 79 2. 90 7.48 0. 61 1.77 5.77

OCH3 0.74 2.93 9.53 0.56 1.67 5.88

F 0.78 3. 28 9.78 0.84 2.27 6.83

OC2H5 1.09 4.95 19.81 1. 06 3. 01 10. 50

ch

3

ch

=

2

Cl 1.21 6.57 — 0.84 2.74 —

CmCH 1.17 7.40 1.16 3.78 一

Br 1.35 7. 61 一 0.92 3.05 一

I 1.63 9.03 一 1.01 3.64 —

C2H5 1.85 10.60 一 1.42 4.64 —

리되었다. 이것은 전기 음성도가 큰 할로겐이 벤젠고리에 치환되면 벤젠고리의 전자들을 어느 정도 끌어 들이게 되지만 비편재화 능력이 큰 벤젠고리 쪽으로 다시 전자밀도가 쏠리게 되어 쌍극자 능률의 정도가 완화된다. 따라서 상대적 으로정지상과의 분산력 이 증대되어 머무름은 커지게 된다. 이것은 기체-액체 크로마토그래피 상에서 Korol12들이 벤젠유도체들의 용리현상을 실험한 결과와도 잘 일치한다고 볼 수 있다. 그 러나 一F 도 이동상의 극성이 증가함에 따라 벤 젠보다 늦게 용리되었으며 할로벤젠들의 용리순 서를 살펴보면 F<Cl〈Br<；I 순서로 용-리 되었 다. 이러한 순서는 전기음성도의 역순이며, 분 자량 및 분자반경이 증가하는 순서이다. 따라서 역상 액체 크로마토그래피에서 분자량 및 분자 반경이 머무름 현상에 크게 기여하는 인자라는 것을 알 수 있다. 알킬기 또는 알켄기가 치환된 경우 탄소수가 증가함에 따라 용리가 늦어지는 것은 메틸렌기 가 증가함에 따라 소수성 효과 또 는 정지 상과의 분산력이 상대적으로 증대되 었기 때문인데 이것은 분자내 동일한 집단의 치환된

수가 증가함에 따라 일정한 용액내에서 용매분 자와 시료분자가 상호작용하는 에너지도 일정하 게 증가한다는 현상을 밝힌 Martin rul*과도 잘 일치한다고 볼 수 있다.

한편 一CH=CH2, -CN 및 一C三CH 와 같이 이중 또는 삼중 결합이 있는 치 환체들은 메 탄올- 물 혼합용액 과 아세토니 트릴-물의 혼합용액애 서 다른 치환체들과의 상대적인 용리순서를 비교하 여 볼 때 다소 차이가 있었다. 메탄올-물 시스 템에서는 一CH=CH2〈一C1〈一C三CH〈一I인 용리순서가 아세토니트릴-물 시스템에서는 一C1

〈一CH=CH2〈一I〈一C三CH 으로 바뀌었다.

이와같이 이중 또는 삼중결합의 치환기를 갖는 치환체들이 아세토니트릴-물 시스템에서 머무름 이 상대적으로 증가하는 이유는 미반응된 실란 올 집단의 영 향을 고려하여 설명 한다면, 미반응 된 실란올 집단쪽으로 메탄올 보다는 아세토니 트릴이 더 접근하기가 용이하기 때문이라고 설 명할 수 있으며, 이때 이러한 치환기들이 컬럼 을 통과할 경우 실란올 집단보다는 전자밀도가 더 큰 CN 집단과 더 큰 TbTT 상호작용을 할 수

60

있을 것으로 예측된다. 따라서 전자밀도가 풍부 한 이 중 또는 삼중결 합이 있는 치 환기들과 力F 상호작용이 가능하게 되므로 비정상적으로 머무 름 시간이 길어지게 된 것이라고 생각된다. 이 와같은 현상은 Colin"들이 벤젠일치환체와 알켄 화합물을 대상으로 실험한 결과와도 잘 일치하 는 현상이라고 볼 수 있다. 한편 이러한 치환기 들의 용리현상을 좀 더 쉽게 알아보기 위해서 메탄올과 아세토니트릴의 동일한 농도비 조건에 서 벤젠 일치환체들의 용리현상을 도식적으로 나타내 었 다 (耳g. 2). F，g.2 에 나타낸 각 치 환기 는 벤젠의 용량인자를 기준으로 하여 벤젠 일치 환체들의 용량인자와의 산술적인 차이 (匕弗')로 써 표현하였다. 따라서 벤젠과 벤젠 일치환체들 이 혼함된 시료에서 각 치환체들의 분리 가능성 은 F/g.2 의，身 의 크기로부터 예측할 수 있으 며 50% 유기용매조건이 아닌 경우도 거의 경향 이 비 슷하므로 분리 조건을 선택 하는데 F，g.2 는 유용하다고 생각한다. 또한 /住' 의 간격으로 볼 때 동일한 농도비 (50%)에서 메탄을 보다 아세 토니트릴의 용매강도가 훨씬 강하다는 것을 알 수 있다.

3.2.2 페닐 결합 정지상에서 시료의 머무름.

페닐 결합정지상의 컬럼에서 메탄올 및 아세 토니트릴의 부피 % 에 따라 벤젠 및 벤젠 일치 환체 들의 용량인 자를 측정 한 결 과는 Table 2에 서 볼 수 있는데 치환기의 니;열 순서는 50% 메 탄올-물의 혼합용액에서의 ”량인자의 크기 순 서이다. 이동상 중의 유기용매의 혼합비율이 감 소할수록 용매강도가 감소하였고, 용량인자의 대수값 (log矿)은 직선적으로 증가하였디-. 이들 의 용리순서를 살펴보면 메탄올-물의 혼합용액 에 서 0-Bondapak Cig 컬럼의 경 우와 유사하며 이동상과 수소결합이 가능한 극성인 치환기들이 치 환된 경우가 가장 빨리 용리되 었다. 벤조산의 경우에는 而보다도 더 빨리 용리되는데 이것은 물이 포함된 이 동상 속에서 COOH기가 일부 해 리 되 었기 때 문이 라고 생 각된다. 스틸 렌 (CH=

CH，과 에티닐 벤젠(C三CH)은 08결합 정지상 컬럼에 서는 분리되었지만 페닐결합 정지상에서 는 30% 메 탄올-물의 혼합용액 에 서 까지 분리 가

Fig. 2. Comparison of the retentions of monosu­

bstituted benzenes on /z-Bondapak Cis column in two solvent systems.

되 지 않았다. 또한 08 결 합 정 지 상의 경 우에 비 하여 용리순서 가 크게 늦어 진 치 환기 로는 니 트 로 벤젠을 들 수 있다. 일반적으로 니트로기는 쌍극자능률이 상당히 강하여 벤젠고리의 전자 밀도를 감소시킬 뿐만 아니 라 분자전체가 영구 쌍극자 능률을 갖게 된다. 따라서 미반응된 실 란을 집단의 영 향을 고려하지 않는다면 니트로 벤젠은 페닐 결합 정지상과 쌍극자-유도 쌍극자 상호작용* (dipole-induced dipole interaction) 을 갖게 되 고, 메 탄올-물의 혼합용액인 이 동상과는 쌍극자-쌍극자 상호작용 (dipole-dipole interac- tion) 을 갖게 되어 이동상과의 상호작용이 더 큰 기여도를 나타내는 것으로 볼 수 있다. 그러나 미반응된 실란올 집단의 영향을 고려한다면 니 트로기는 수소결합이 가능하지 않으므로 벤젠고 리 자체와 미반응된 실란올과의 반응에서 벤젠 고리 가 양성자 받게의 구실을 하여 일종의 Si 一 O“・H・“C6H5N()2 형태의 adduct를 형성 하였기 때 문이라고 생각된다. 이러한 형태의 상호작용은 Wayland^ 들의 연구에서도 설명하고 있다.

T沥"2 에서 아세토니트릴-물 시스템을 보면 전체적 으로 C18 결합정 지 상 컬 럼 과 마찬가지 로 동 일한 부피 %에서 메탄올-물 혼합용액의 이동상 보다 용매강도가 크다는 것을 알 수 있으며 -NO2, 一OCH3 등의 치환체의 경우는 메탄올 에서는 아세토니트릴에 비해 다른 선택성을 나 타내었다. 70% 아세도니트릴에서는 벤젠, 니트 로 벤젠 및 애니솔의 용리시 간이 거의 비슷하였 으나 50 % 아세 토니 트릴에서 는 용리 순서 가 니 트 로 벤젠〈애니슬〈벤젠의 순으로, 30% 아세토

Journal of the Korean Chemical Society

역상 액체크로마토그래피에서 벤젠 일치환체들의 머무름 메카니즘에 관한 연구(I) 61 Table 2. Capacity factors（幻 of monosubstituted benzenes on /z-Bondapak phenyl column

Substituted groups % CH3OH % CHgCN

70 50 30 70 50 30

COOH -0. 30 -0.10 一 0.28 -0.37 -0.11 -0.42

nh

2

OH 0.22 0.66 1.99 0.19 0.50 1.70

CHO 0.42 1.18 4.39 0. 31 0.78 2.80

CN 0.42 1.37 5.39 0.34 0- 96 3.79

COCH3 0.45 1.44 6.22 0. 30 0.81 3.16

Benzene 0. 52 1.47 4.52 0.42 1.30 5. 03

F 0. 36 1.73 5.80 0- 42 1. 32 6.20

no

2

OCH3 0- 58 1.81 6.80 0.41 1. 24 5.70

ch

3

oc

2

5

Cl 0.69 2.86 12.28 0.54 1.77 10.95

ch

=

2

C

CH

Br 0.79 3.40 17.80 0.57 1.93 13.05

C2H5 0.90 4.05 22. 60 0.63 2.33 17.13

I 0. 78 4.35 26.55 0.54 2.30 18. 60

니트릴에서는 벤젠〈니트로 벤젠〈애니솔 순으 로 용리되었다. 이와같이 이 동상 중의 유기용매 의 농도비에 따라 용리순서가 바뀐다는 것은 농 도비에 따라 이동상에 의한 정지상의 환경이 변 하는 것으로 생각할 수 있고 또한 30% 아세토 니트릴 이하의 농도비에서는 메탄올 시스템에서 의 용리순서와 일치하게 되는 것으로 보아 이때 의 정지상의 환경은 두 시스템에서 동일하다고 생각된다.

이와같은 현상을 종합하여 보면 정지상 및 이 동상중 유기용매의 소수성 크기의 정도에 따라 이동상이 정지상을 완전히 용매화할 수 있는 농 도비가 서로 다르며, 정지상의 용매화 정도에 따라 이동상에 의한 정지상의 환경이 달라질 것 으로 생각된다. Fig. 3 에는 동일한 농도비 에 서 벤젠 일치환체들의 용리현상을 压_{幻2와 같이 도} 식 적 으로 나타내 었다. C18 결 합 정 지 상에 서 와는 달리 이중 또는 삼중결합을 지닌 치환체들의 용 리 순서 가 메 탄올에 서 아세 토니 트릴 로 유기 용매 의 종류가 바뀌어도 이들의 용리순서에는 변함 이 없었다. 또한 메탄올 보다도 아세토니트릴의

용매강도가 훨씬 더 강하다는 것도 알 수 있다.

물론 Fig. 3은 페닐 컬럼을 사용할 경우 벤젠 치환체의 혼합물을 분리할 수 있는지를 예측하 는데 이용될 수 있다.

3.3. 이동상의 유기용매의 종류의 따른 시료 의 선택성. 각 치환기에 대한 용매의 선택성은 어떤 치환기를 포함한 시료와 포함하지 않은 시 료와의 상대적인 머무름을 비교함으로써 알아볼 수 있다. 본 연구에서는 각 치환체의 상대적인 머무름을 비교하기 위해 벤젠의 머무름을 기준 으로 하고 벤젠의 머 무른 시 간이 같도록 이동상 의 유기용매의 농도비를 조절하여 각 이동상에 서의 시 료의 K 을 측정 하였다. 그 결과는 Table 3과 같다. 또한 용매의 선택성을 비교하기 위하 여 메탄올, 아세토니트릴외 쌍극자 능률이 작은 THF를 추가로 선택하여 세가지 용매에서의 k' 을 비교 검토하였다.

벤젠에 대한 용매강도는 세가지 이동상에서 서로 같지만, 대부분의 치환체에 대해서는 벤젠 에 대한 상대적 머무름 값이 메탄올, 아세토니 트릴, THF순으로 감소하였다. 이들의 용리순

62

Fig. 3. Comparison of the retentions of monosubsti­

tuted benzenes on /z-Bondapak phenyl column in two solvent systems.

Table 3. Capacity factors Q') of monosubstituted benzenes in three binary solvents

Substituted 50% CH3OH 48% CIKCN 46% THF group

-

2

-

2

-

2

COOH -0.10 -0.35 0.17 OH 0- 66 0. 59 0.84 nh

2

CN 1.37 1.12 0.91

COCH3 1.44 0. 88 0.71 H (Benzene) 1.47 1.48 1.46

F 1.73 1.55 1.53

NO2 1.75 1.39 1.24

och

3

ch

3

oc

2

5

-

2

Br 3.40 2. 25 2.01

C2H5 4. 05 2.64 2. 53

I 4. 35 2. 67 2.30

서를 살펴보면 一 NC板와 —ocq 는 메 탄올-물 의 혼합용액에서 벤젠보다 늦게 용리되었지만, 아세토니트릴-물과 THF-물의 혼합용액에서는 벤젠보다 빨리 용리되었다. 또한 -COCH3)

—CHO 및 一CN도 이동상의 유기용매가 메탄 올에서 아세토니 트릴로 바뀜 에 따라 머 무름의 급 격한 감소를 보였다. 이러한 치환기들은 시료의 쌍극자 능률을 증대시킴으로써 쌍극자 능률이

비교적 큰 아세토니트릴과 THF 와의 상호작용 이 증대되 었기 때문이 라고 생각된다.

반면에 — NH2, 一0H는 머무름이 아세토니 트릴-물에서는 최소이고, THF-물에서는 최대 를 보였고, 一COOH는 THF一물에서 양(+)의 용량인자Q')를 나타내었다. 이것은 아세토니트 릴은 극성 이 크고 수소결합이 가능한 반면, THF 는 극성이 작고 수소결합에의 기여도가 없기 때 문에 수소결합이 가능한 극성인 치환기가 치환 된 시료는 THF-물에서 머무름이 증대되기 때 문이라고 생각된다. 또한 유기용매에 따른 메틸 렌기의 영향을 비교해 보기 위해서 에틸벤젠과 톨루엔, 페네톨(OC2H5)과 애니솔(一OCI%)간의 상대적 머무름 값(a)을 각각 취하여 평균을 구 해보면 메탄올-물에서는 L 56이고, 아세 토니 트 릴-물 및 THF-물에서는 각각 1.35와 1.34로 서 로 유사한 값을 나타내고 있다. 이것은 후자의 두 용매에서는 알킬사슬이 시료의 머무름에 기 여하는 정도가 비슷하다는 것을 의미한다. 동일 한 용매강도에서 메탄올-물이 가장 큰 선택성 을 나타내었으면, THF-물은 가장 작은 선택성을 나타내었지만 一NO? 기나 또는 비교적 쌍극자 능률이 큰 치환체들은 벤젠에 대해서 큰 선택성 을 보여 주었다.

F/g.4 는 페닐 결합 정지상에서 용매의 선택 성을 쉽게 알아보기 위해 동일한 용매강도에서 벤젠을 기준으로 한 각 치환체들의 상대적 인 머 무름 값(a)의 관계를 표현한 것이다. 비교적 극 성인 치환체들은 직선성에서 많이 벗어나 있으 며 아세토니트릴보다도 THF에서 더 큰 편차를 나다내었다. 적선상에 놓인 치환기들은 메탄올 대신에 아세토니트릴 또는 THF 를 사용하더 라 도 선택성에는 큰 차이가 없는 치환체들이고 직 선성에서 벗어난 족의 용매를 사용하였을 때 선 택성의 변화를 기대할수 있을 것이다. Fig. 4 에 나타낸 직선은 최소자승법에 의해 얻은 것으 로 메탄올과 아세토니트릴에 대해서는 0.977(&

= 17)이고 메탄올과 THF에 대해서는 0.947(&

= 17)로 나타났다. 이때 벤조산은 음의 값을 갖 게 되어 고려대상에서 제외시켰다. 메탄올을 사 용하였을 경우에는 쌍극자능률이 비교적 큰 치

Journal of the Korean Chemical Society

역상 액체크로마토그래피에서 벤젠 일치환체들의 머무름 메카니즘에 관한 연구⑴ 63

501 CHjOH-HjO

Fig. 4. Plot of relative retention (a) in 48 % CH3CN- H2O and 46 % THF-H2O against relative retention in 50 % CH3OH-H2O. • : 48 % CH3CN-H2O vs. 50 % CH3OH-H2O； ▲：46% THF-H2O ^vs. 50% CH30H- H2O.

환기들이 더 오래 머무르게 되었고, 아세토니트 릴 또는 THF 를 사용하였을 경우에는 벤젠, 톨 루엔들이 더 오래 머무르는 것으로 나타났다.

벤젠을 기준으로 톨루엔, 에틸벤젠 및 할로벤젠 (-F, -Cl, -Br, 一I)들만 서로 연결한다면 거의 일직선상에 놓이게 되는데 이것은 소수성 에 대한 효과가 세 시스템에 대해서 일정하게 증가되고 있음을 말해준다.

사사 : 본 연구는 1984년도 과학재단의 연구비 지원으로 수행된 것인바 재단에 감사를 드리는 바이 다.

인 용 문 헌

1. K. Karch, I. Sebestian, I. Halasz, and H.

Engelhardt, J. Chromatogr., 122, 171 (1976).

2. D. C. Locke, J. Chromatogr. Sci., 12, 433 (1974).

3. B. L. Karger, J. R. Gant, A. Hartkopf and P. H. Weiner, J. Chromatogr^ 128, 65 (1976).

4. K. Jinno and K. Kawasaki, Chromatographia, 17, 337 (1976).

5. C. Horvath, W. Melander, and I. Molnar, J.

Chromatogr., 125, 129 (1976).

6. S. R. Bakalyar, R. Meilwrick, and E. Roggen- derff, J. Chromatogr., 142, 353 (1977).

7. N. Tanaka, H. Goodell, and B. L. Karger, J. Chromatogr158, 233 (1978).

8. T. Hanai and J. Hubert, J. Chromatogr., 291, 81 (1984).

9. N. Tanaka, Y. Tokuda, K. Iwaguchi, and M.

Araki, J. Chromatogr. t 239, 761 (1982).

10. R. N. Nikolov, J. Chromatogr., 286, 147 (1984).

11. R. P. W. Scott and P. Kucera, J. Chromatogr., 142, 213 (1977).

12. A. N. Korol and N. V. Novorusskaya, J. Chro­

matogr.., 169, 73 (1979).

13. B. L. Karger, L. R. Snyder, and C. Horvath,

"An Introduction to Separation Science", Wiley- Interscience, New York, Part 2, 1973.

14. II. Colin, A. Krstulovic and G. Guiochon, J.

Chromatogr.^ 255, 295 (1983).

15. O. Popovych and R. P. T. Tomkins, ^Nonaqueous Solution Chemistry", Wiley-Interscience, New York, p. 6, 1981-

16. B. B. Wayland and R. S. Dra^응o, J. Am. Chem.

Soc., 86, 5240 (1964).